1 概述 

儀表板橫梁是汽車上的一種重要的承載機(jī)構(gòu)，主要安裝汽車儀表，安全氣囊，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，汽車在行駛的過程中，本身受到的沖擊振動(dòng)較大，為了避免儀表板橫梁與車身產(chǎn)生共振作用，必須對設(shè)計(jì)進(jìn)行模態(tài)分析， 

在設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，會導(dǎo)致零件的局部設(shè)計(jì)不夠合理，從而導(dǎo)致模型不能滿足模態(tài)要求。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，CAE技術(shù)日益成熟，各種仿真方法，例如：有限元法，多體動(dòng)力學(xué)，流體等技術(shù)，在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用，在設(shè)計(jì)工程師完成初步的設(shè)計(jì)后，可以進(jìn)行虛擬的產(chǎn)品試驗(yàn)，檢驗(yàn)零件強(qiáng)度，剛度等是否達(dá)到目標(biāo)值。如果產(chǎn)品不能滿足要求，則依據(jù)分析結(jié)果，可以提出優(yōu)化建議，從而可以大大縮短實(shí)物試驗(yàn)周期，降低成本費(fèi)用，較好的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。 

圖1是汽車儀表板橫梁、轉(zhuǎn)向管柱總成各組成部分。

表1為儀表板橫梁模型中各組成部分質(zhì)量說明。在儀表板模態(tài)分析的過程中，模型的重量對分析結(jié)果影響較大，各部分的重量一定要和設(shè)計(jì)部門提供的重量相符。

2 有限元模型的建立 

首先本文模型的建立通過Catia建模后導(dǎo)入有限元分析軟件HyperMesh中，導(dǎo)入的圖形一般要進(jìn)行修正處理，幾何模型不等于有限元模型，需要對幾何模型進(jìn)行幾何清理，才能生成準(zhǔn)確的有限元模型。本文中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建立模型的過程中，為了保證分析精度和縮短分析時(shí)間，采用大小為3*3的尺寸建立二維單元，在此基礎(chǔ)上生成實(shí)體單元。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部具有的安全氣囊采用質(zhì)量點(diǎn)的形式模擬。為了提高模態(tài)分析的準(zhǔn)確性，儀表板橫梁安裝于部分白車身中，在橫梁的兩端和下支架與白車身進(jìn)行固定。同時(shí)，在建立模型的過程中，不同的車型儀表板橫梁周邊連接件也不相同，本文分析的模型中，制動(dòng)踏板和離合器踏板同時(shí)與白車身和橫梁相連。 

模型中要保留與轉(zhuǎn)向機(jī)相連的上節(jié)臂和下節(jié)臂，兩者之間的十字鉸節(jié)采用共節(jié)的Beam單元模擬，分別要釋放Beam單元兩端的軸向旋轉(zhuǎn)自由度，采用這種方式模擬可以使模型更加準(zhǔn)確。 

模型中使用的材料為合金鋼，材料的彈性模量為1.7* E5MPa，泊松比為0.3。 

所建立的儀表板橫梁模型如圖2所示。

3 理論依據(jù) 

儀表板橫梁模態(tài)分析主要考慮一階模態(tài)頻率，汽車在怠速的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率一般和本身的氣缸數(shù)和沖程數(shù)有關(guān)，對于一般4缸4沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)其怠速頻率可以按以下公式進(jìn)行計(jì)算： 

f=2*4*800/60*4=26.7Hz 

為了防止儀表板橫梁發(fā)生共振，一階模態(tài)一般要求要高于怠速模態(tài)3Hz左右，即在本文中儀表板橫梁的一階模態(tài)要高于30Hz，即可以滿足使用要求。 

4 邊界條件的施加 

在模態(tài)分析的過程中，約束方式和模型的重量對分析結(jié)果影響較大，所以，要對模型施加準(zhǔn)確的邊界條件。本文截取白車身的部分模型，在模型的邊緣處進(jìn)行全約束，在下節(jié)臂與轉(zhuǎn)向機(jī)連接處為自由狀態(tài)。

5 分析計(jì)算 

通過分析，得出儀表板橫梁帶白車身的模態(tài)分析情況，如圖4和圖5所示。

圖中儀表板橫梁的一階模態(tài)為29.6Hz，一階振型為垂向擺動(dòng)，二階振型為水平擺動(dòng)。為了進(jìn)一步提升儀表板橫梁的模態(tài)，本文對設(shè)計(jì)方案提出了改進(jìn)建議。 

6 設(shè)計(jì)優(yōu)化 

儀表板橫梁為圓筒形梁，從分析數(shù)據(jù)中，可以得出橫梁的厚度對模態(tài)的貢獻(xiàn)量較多，本文主要從以下兩個(gè)方面提升設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)。一 將儀表板橫梁由之前的厚度1.2mm增加為1.5mm。二 儀表板橫梁與車身連接支架厚度由1.2mm增加為1.5mm。模型如圖6所示。

通過進(jìn)一步分析得出，改善后的模型模態(tài)有所提高，一階模態(tài)為31.2Hz，振型為垂向擺動(dòng)。二階模態(tài)為35.5Hz，振型為水平擺動(dòng)，改善后的模型完全可以滿足使用要求。